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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Einlassventil.
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Stand der Technik
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Ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, ist durch die
DE 10 2015 212 390 A1 bekannt. Die Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf mit einem in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Der Pumpenarbeitsraum ist über das Einlassventil mit einem Zulauf für den Kraftstoff verbindbar. Das Einlassventil umfasst ein Ventilglied, das mit einem Ventilsitz zur Steuerung zusammenwirkt und das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. In seiner Schließstellung kommt das Ventilglied am Ventilsitz zur Anlage. Ferner umfasst das Einlassventil einen elektromagnetischen Aktor, durch den das Ventilglied bewegbar ist. Der elektromagnetische Aktor weist eine Magnetspule und einen zumindest mittelbar auf das Ventilglied wirkenden beweglichen Magnetanker auf. Bei unbestromter Magnetspule wird der Magnetanker durch eine Rückstellfeder zum Ventilglied hin beaufschlagt und hält dieses in seiner Öffnungsstellung. Das Ventilglied wird durch eine Schließfeder zu seiner Schließstellung hin beaufschlagt, wobei die Kraft der Schließfeder geringer ist als die Kraft der Rückstellfeder. Wenn eine Förderung durch die Hochdruckpumpe erfolgen soll so wird die Magnetspule bestromt, so dass der Magnetanker gegen die Kraft der Rückstellfeder vom Ventilglied wegbewegt wird und dieses durch die Schließfeder in seine Schließstellung bewegt wird. Zur Beendigung der Förderung wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass der Magnetanker durch die Rückstellfeder zum Ventilglied hin bewegt wird und dieses wieder in seine Öffnungsstellung bewegt wird. Bei Bestromung der Magnetspule kommt der Magnetanker an einem ersten Anschlag zur Anlage und bei nicht bestromter Magnetspule kommt der Magnetanker durch die Rückstellfeder bewirkt an einem zweiten Anschlag zur Anlage. Bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule kommt der Magnetanker am Ventilglied zur Anlage.
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Die Ansteuerung des Aktors des Einlassventils erfolgt durch eine elektronische Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine, die durch die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird, wobei die Hochdruckpumpe Kraftstoff in einen Speicher fördert. Durch entsprechende Ansteuerung des Aktors des Einlassventils durch die Steuereinrichtung kann die von der Hochdruckpumpe in den Speicher geförderte Kraftstoffmenge variabel an den Bedarf der Brennkraftmaschine angepasst werden. Hierbei ist es erforderlich, dass die Steuereinrichtung Informationen über die tatsächliche Fördermenge der Hochdruckpumpe erhält. Hierzu wird beispielsweise der Druckverlauf im Speicher ausgewertet, aus dem erkannt werden kann ob eine Förderung durch die Hochdruckpumpe erfolgt ist. Dies lässt jedoch nur ungenaue Rückschlüsse über das Schaltverhalten des Einlassventils zu.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einlassventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch den Körperschallsensor Schaltvorgänge und/oder der Schaltzustand des Einlassventils direkt detektiert werden können. Das Auftreffen des Magnetankers auf dessen ersten und/oder zweiten Anschlag führt zu einem deutlich identifizierbaren Signal des Körperschallsensors aus dem abgeleitet werden kann ob und wann das Einlassventil geschlossen ist und somit eine Förderung erfolgt ist.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Einlassventils angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist eine sichere Funktion des Körperschallsensors erreicht. Die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine weitere Verbesserung der Erfassung von Schaltvorgängen des Einlassventils durch den Körperschallsensor.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe, 2 in vergrößerter Darstellung einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt mit dem Einlassventil der Hochdruckpumpe mit einem Körperschallsensor und 3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Signals des Körperschallsensors sowie der Bestromung einer Magnetspule des Einlassventils.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ausschnittsweise eine Hochdruckpumpe dargestellt, die zur Kraftstoffförderung in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement 10 auf, das wiederum einen Pumpenkolben 12 aufweist, der durch einen Antrieb in einer Hubbewegung angetrieben wird, in einer Zylinderbohrung 14 eines Gehäuseteils 16 der Hochdruckpumpe geführt ist und in der Zylinderbohrung 14 einen Pumpenarbeitsraum 18 begrenzt. Als Antrieb für den Pumpenkolben 12 kann eine Antriebswelle 20 mit einem Nocken 22 oder Exzenter vorgesehen sein, an dem sich der Pumpenkolben 12 direkt oder über einen Stößel, beispielsweise einen Rollenstößel, abstützt. Der Pumpenarbeitsraum 18 ist über ein Einlassventil 24 mit einem Kraftstoffzulauf 26 verbindbar und über ein Auslassventil 28 mit einem Speicher 30. Beim Saughub des Pumpenkolbens 12 kann der Pumpenarbeitsraum 18 bei geöffnetem Einlassventil 24 mit Kraftstoff befüllt werden. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 wird durch diesen bei geschlossenem Einlassventil 24 Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 18 verdrängt und in den Speicher 30 gefördert.
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Im Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe schließt sich wie in 2 dargestellt an die Zylinderbohrung 14 auf deren dem Pumpenkolben 12 abgewandter Seite eine Durchgangsbohrung 32 mit kleinerem Durchmesser als die Zylinderbohrung 14 an, die auf der Außenseite der Gehäuseteils 16 mündet. Das Einlassventil 24 weist ein kolbenförmiges Ventilglied 34 auf, das einen in der Durchgangsbohrung 32 verschiebbar geführten Schaft 36 und einen im Durchmesser gegenüber dem Schaft 36 größeren Kopf 38 aufweist, der im Pumpenarbeitsraum 18 angeordnet ist. Am Übergang von der Zylinderbohrung 14 zur Durchgangsbohrung 32 ist am Gehäuseteil 16 ein Ventilsitz 40 gebildet, mit dem das Ventilglied 34 mit einer an seinem Kopf 38 ausgebildeten Dichtfläche 42 zusammenwirkt.
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In einem an den Ventilsitz 40 anschließenden Abschnitt weist die Durchgangsbohrung 32 einen größeren Durchmesser auf als in deren den Schaft 36 des Ventilglieds 34 führendem Abschnitt, so dass ein den Schaft 36 des Ventilglieds 34 umgebender Ringraum 44 gebildet ist. In den Ringraum 44 münden eine oder mehrere Zulaufbohrungen 46, die andererseits auf der Außenseite des Gehäuseteils 16 münden.
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Der Schaft 36 des Ventilglieds 34 ragt auf der dem Pumpenarbeitsraum 18 abgewandten Seite des Gehäuseteils 16 aus der Durchgangsbohrung 32 heraus und auf diesem ist ein Stützelement 48 befestigt. Am Stützelement 48 stützt sich eine Ventilfeder 50 ab, die sich andererseits an einem den Schaft 36 des Ventilglieds 34 umgebenden Bereich des Gehäuseteils 16 abstützt. Durch die Ventilfeder 50 wird das Ventilglied 34 in einer Stellrichtung A in dessen Schließrichtung beaufschlagt, wobei das Ventilglied 34 in seiner Schließstellung mit seiner Dichtfläche 42 am Ventilsitz 40 anliegt. Die Ventilfeder 50 ist beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet.
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Das Einlassventil 24 ist durch einen elektromagnetischen Aktor 60 betätigbar, der insbesondere in den 2 und 3 dargestellt ist. Der Aktor 60 wird durch eine elektronische Steuereinrichtung 62 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine angesteuert. Der elektromagnetische Aktor 60 weist eine Magnetspule 64, einen Magnetkern 66 und einen Magnetanker 68 auf. Der elektromagnetische Aktor 60 ist auf der dem Pumpenarbeitsraum 18 abgewandten Seite des Einlassventils 24 angeordnet. Der Magnetkern 66 und die Magnetspule 64 sind von einem Aktorgehäuse 70 umgeben, das am Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe befestigbar ist. Das Aktorgehäuse 70 ist aus Kunststoff hergestellt und in diesem ist die Magnetspule 64 aufgenommen. Das Aktorgehäuse 70 ist beispielsweise mittels eines dieses übergreifenden Schraubrings 72 am Gehäuseteil 16 befestigbar, der auf einem mit einem Außengewinde versehenen Kragen 74 des Gehäuseteils 16 aufgeschraubt ist.
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Der Magnetanker 68 ist zumindest im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und über seinen Außenmantel in einer Aufnahme in Form einer Bohrung 76 in einem Trägerelement 78 in Richtung seiner Längsachse 69 verschiebbar geführt. Die Bohrung 76 im Trägerelement 78 verläuft zumindest annähernd koaxial zur Durchgangsbohrung 32 im Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe und somit zum Ventilglied 34. An die Bohrung 76 schließt sich im Trägerelement 78 zum Einlassventil 24 hin eine weitere Bohrung 77 mit kleinerem Durchmesser als die Bohrung 76 an.
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Der Magnetanker 68 weist eine zumindest annähernd koaxial zur Längsachse 69 des Magnetankers 68 angeordnete zentrale Sackbohrung 81 auf, in die eine auf der dem Ventilglied 34 abgewandten Seite des Magnetankers 68 angeordnete Rückstellfeder 82 hineinragt, die sich am Magnetanker 68 abstützt. Die Rückstellfeder 82 ist an ihrem anderen Ende zumindest mittelbar am Magnetkern 66 abgestützt, der eine zentrale Sackbohrung 84 aufweist, in die die Rückstellfeder 82 hineinragt. In der Bohrung 84 des Magnetankers 66 kann ein Abstützelement 85 für die Rückstellfeder 82 eingefügt, beispielsweise eingepresst sein. Der Magnetanker 68 weist eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 91 auf um einen Durchtritt von Kraftstoff bei der Bewegung des Magnetankers 68 zu ermöglichen.
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In der Bohrung 76 ist durch die Durchmesserverringerung zur weiteren Bohrung 77 hin eine Ringschulter 88 gebildet. Zwischen der Ringschulter 88 und dem Magnetanker 68 kann ein Anschlagelement 90 angeordnet sein, durch das die Bewegung des Magnetankers 68 zum Einlassventil 24 hin begrenzt ist. Das Anschlagelement 90 ist hülsenförmig ausgebildet und durch dieses ragt der Magnetanker 68 zum Einlassventil 24 hindurch und kommt zumindest mittelbar am Ventilglied 34 zur Anlage. Der Magnetkern 66 und das Trägerelement 78 sind über ein hülsenförmiges Verbindungselement 92 miteinander verbunden, das auf dem Magnetkern 66 und auf dem Trägerelement 78 mittels jeweils einer Schweißverbindung 93 befestigt ist.
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Bei Bestromung der Magnetspule 64 wird der Magnetanker 68 gegen die Kraft der Rückstellfeder 82 bewegt bis dieser in Anlage am Magnetkern 66 gelangt. Der Magnetkern 66 bildet somit einen ersten Anschlag für den Magnetanker 68. Wenn die Magnetspule 64 unbestromt ist so wird der Magnetanker 68 durch die Rückstellfeder 82 in Anlage am Anschlagelement 90 gebracht, das somit einen zweiten Anschlag für den Magnetanker 68 bildet. Wenn sich der Magnetanker 68 in Anlage am Magnetkern 66 als erstem Anschlag befindet so liegt der Magnetanker 68 nicht mehr am Ventilglied 34 an sondern ist mit Abstand zu diesem angeordnet. Bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule 64 bewegt sich der Magnetanker 68 durch die Rückstellfeder 82 bewirkt zum Ventilglied 34 hin, kommt an diesem zur Anlage und weiter bewegen sich dann Magnetanker 68 und Ventilglied 34 zusammen bis der Magnetanker 68 am Anschlagelement 90 anliegt.
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Erfindungsgemäß ist am Einlassventil 24 ein Körperschallsensor 94 angeordnet, der mit der Steuereinrichtung 62 verbunden ist. Der Körperschallsensor 94 kann innerhalb des Aktorgehäuses 70 angeordnet sein, beispielsweise am Trägerelement 78. Durch den Körperschallsensor 94 werden Erschütterungen des Trägerelements 78 erfasst, die durch die Anlage des Magnetankers 68 am Magnetkern 66 als erstem Anschlag, am Anschlagelement 90 als zweitem Anschlag und am Ventilglied 34 verursacht werden. In 3 ist mit durchgezogener Linie der zeitliche Verlauf des Signals S des Körperschallsensors 94 dargestellt. Außerdem ist in 3 mit gestrichelter Linie der zeitliche Verlauf der Bestromung I der Magnetspule 64 dargestellt. Mit kurzem zeitlichem Abstand nach Beginn der Bestromung der Magnetspule 64 gelangt der Magnetanker 68 in Anlage am Magnetkern 66 als erstem Anschlag, was ein Signal A des Körperschallsensors 94 erzeugt. Mit kurzem zeitlichem Abstand nach Beendigung der Bestromung der Magnetspule 64 gelangt der Magnetanker 68 in Anlage am Ventilglied 34, was ein Signal B des Körperschallsensors 94 erzeugt. Mit weiterem zeitlichem Abstand nach der Anlage am Ventilglied 34 gelangt der Magnetanker 68 in Anlage am Anschlagelement 90, was ein Signal C des Körperschallsensors 94 erzeugt.
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Das Signal des Körperschallsensors 94 wird durch die Steuereinrichtung 62 ausgewertet. Aus dem Signal A des Körperschallsensors 94 kann ermittelt werden ob der Magnetanker 68 in Anlage am Magnetkern 66 als erstem Anschlag gelangt ist und somit das Einlassventil 24 geschlossen war und eine Förderung in den Speicher 30 erfolgt ist. Wenn das Signal A nicht vorhanden ist oder mit zu geringer Ausprägung vorhanden ist so kann hieraus gefolgert werden, dass das Einlassventil 24 nicht geschlossen war oder zu kurz geschlossen war und keine oder eine nicht ausreichende Förderung in den Speicher 30 erfolgt ist.
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Insbesondere im ballistischen Betrieb des Magnetankers 68, der eine Kürzung der Bestromungsdauer beinhaltet, ist es erforderlich ein zuverlässiges Schaltverhalten sicherzustellen. Hierzu wird die Bestromungsdauer so lange gekürzt, bis das Signal A gerade nicht mehr detektierbar ist und der Magnetanker 68 nicht mehr den ersten Anschlag am Magnetkern 66 erreicht. Anschließend wird die Bestromungsdauer geringfügig erhöht und damit ein ballistischer Betrieb des Magnetankers 68 eingestellt.
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In einer weiteren Verfahrensvariante, wird die Bestromungsdauer gekürzt und dadurch die Stärke des Signals A, auf ein definiertes Maß abgesenkt. Die Höhe der Absenkung wird dabei so gewählt, dass sich ein ballistischer Betrieb des Magnetankers 68 einstellt. Vorteile sind zum einen ein geringerer Aufwand an elektrischer Leistung zur Ansteuerung und zum anderen ein niedriges Geräuschniveau, da der Aufprall des Magnetankers 68 schwächer ist.
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Wenn das Ventilglied 34 sich in seiner Schließstellung befindet und die Bestromung der Magnetspule 64 zur Beendigung der Förderung beendet wird so muss das Signal B des Körperschallsensors 94 in einem definierten zeitlichen Abstand nach der Beendigung der Bestromung vorliegen. Wenn der tatsächlich erfasste zeitliche Abstand des Signals B größer ist als der definierte zeitliche Abstand so kann hieraus gefolgert werden, dass das Ventilglied 34 nicht seine Schließstellung erreicht hat und somit keine oder eine nicht ausreichende Förderung in den Speicher 30 erfolgt ist. Beispielsweise können zwischen dem Ventilsitz 40 und der Dichtfläche 42 des Ventilglieds 34 Partikel vorhanden sein, die eine dichte Anlage der Dichtfläche 42 am Ventilsitz 40 und damit das Erreichen der Schließstellung des Ventilglieds 34 verhindern.
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Wenn das Signal C des Körperschallsensors 94 nicht oder mit zu geringer Ausprägung vorhanden ist so kann hieraus gefolgert werden, dass das Ventilglied 34 nicht oder nur verzögert seine volle Öffnungsstellung erreicht hat. Dies kann beispielsweise durch einen Defekt der Rückstellfeder 82 bedingt sein. Bei nicht oder nicht rechtzeitig vollständig geöffnetem Ventilglied ist unter Umständen keine ausreichende Befüllung des Pumpenarbeitsraums 18 beim Saughub des Pumpenkolbens 12 erreicht oder beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 wird zu wenig Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 18 in der Zulauf 26 verdrängt. Beides kann zu Ungenauigkeiten bei der Einstellung der von der Kraftstoffhochdruckpumpe in den Speicher 30 geförderten Kraftstoffmenge führen.
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Nachfolgend wird die Funktion des elektromagnetisch betätigten Einlassventils 24 erläutert. Während des Saughubs des Pumpenkolbens 12 ist das Einlassventil 24 geöffnet, indem sich dessen Ventilglied 34 in seiner Öffnungsstellung befindet, in der dieses mit seiner Dichtfläche 42 vom Ventilsitz 40 entfernt angeordnet ist. Die Bewegung des Ventilglieds 34 in seine Öffnungsstellung wird durch die zwischen dem Kraftstoffzulauf 26 und dem Pumpenarbeitsraum 18 herrschende Druckdifferenz gegen die Kraft der Ventilfeder 50 bewirkt. Die Magnetspule 64 des Aktors 60 kann dabei bestromt oder unbestromt sein. Wenn die Magnetspule 64 bestromt ist so wird der Magnetanker 68 durch das entstehende Magnetfeld gegen die Kraft der Rückstellfeder 82 zum Magnetkern 66 hin als erstem Anschlag gezogen. Wenn die Magnetspule 64 nicht bestromt ist so wird der Magnetanker 68 durch die Kraft der Rückstellfeder 82 zum Einlassventil 24 hin gedrückt. Der Magnetanker 68 liegt zumindest mittelbar an der Stirnseite des Schafts 36 des Ventilglieds 34 an.
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Während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 wird durch den Aktor 60 bestimmt ob sich das Ventilglied 34 des Einlassventils 24 in seiner Öffnungsstellung oder Schließstellung befindet. Bei unbestromter Magnetspule 64 wird der Magnetanker 68 durch die Rückstellfeder 82 in der Stellrichtung gemäß Pfeil B in 2 gedrückt, wobei das Ventilglied 34 durch den Magnetanker 68 gegen die Ventilfeder 50 in der Stellrichtung B in seine Öffnungsstellung gedrückt wird. Die Kraft der auf den Magnetanker 68 wirkenden Rückstellfeder 82 ist größer als die Kraft der auf das Ventilglied 34 wirkenden Ventilfeder 50. In die Stellrichtung B wirkt der Magnetanker 68 auf das Ventilglied 34 und der Magnetanker 68 und das Ventilglied 34 werden gemeinsam in die Stellrichtung B bewegt. Solange die Magnetspule 64 nicht bestromt ist kann somit durch den Pumpenkolben 12 kein Kraftstoff in den Speicher 30 gefördert werden sondern vom Pumpenkolben 12 verdrängter Kraftstoff wird in den Kraftstoffzulauf 26 zurückgefördert. Wenn während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 Kraftstoff in den Speicher 30 gefördert werden soll so wird die Magnetspule 64 bestromt, so dass der Magnetanker 68 zum Magnetkern 66 hin in einer zur Stellrichtung B entgegengesetzten Stellrichtung gemäß Pfeil A in 2 gezogen wird. Durch den Magnetanker 68 wird somit keine Kraft mehr auf das Ventilglied 34 ausgeübt, wobei der Magnetanker 68 durch das Magnetfeld in die Stellrichtung A bewegt wird und das Ventilglied 34 unabhängig vom Magnetanker 68 bedingt durch die Ventilfeder 50 und die zwischen dem Pumpenarbeitsraum 18 und dem Kraftstoffzulauf 26 herrschende Druckdifferenz in der Stellrichtung A in seine Schließstellung bewegt wird.
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Durch das Öffnen des Einlassventils 24 beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 mittels des elektromagnetischen Aktors 60 kann die Fördermenge der Hochdruckpumpe in den Speicher 30 variabel eingestellt werden. Wenn eine geringe Kraftstofffördermenge erforderlich ist so wird das Einlassventil 24 durch den Aktor 60 während eines großen Teils des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten und wenn eine große Kraftstofffördermenge erforderlich ist, so wird das Einlassventil 24 nur während eines kleinen Teils oder gar nicht während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212390 A1 [0002]
